一种新型芯片

一种新型芯片粘接用导电银胶的性能研究*邹嘉佳，高宏，周金文（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230031）摘要：制备了一种由环氧树脂基体、咪唑类固化剂、微米级银粉和活性稀释剂体系构成的导电银·cm，搁置寿命大于48h，粘度适中，耐热散热性能胶。该导电银胶的常温体积电阻率为3.7×10-4Ω良好。将该导电银胶应用在3种引线框架并考察其可靠性，结果表明导电银胶与无镀层框架的粘接性最好，但在高温时各框架的粘接性相差不大。同时考察了该导电银胶应用于LGA封装的芯片粘接效果，封装后界面无气泡和分层现象。关键词：导电银胶；体积电阻率；粘接性；可靠性中图分类号：TM249.9文献标识码：A文章编号：1681-1070（2016）04-0001-03DOI:10.16257/j.cnki.1681-1070.2016.0039PerformanceStudyofaNovelSilver-filledConductiveAdhesiveUsedforDieBondingZOUJiajia,GAOHong,ZHOUJinwen（ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationNo.38ResearchInstitute,Hefei230031,China）Abstract：Highperformanceconductivesilveradhesivewerepreparedusingepoxyresin,micron-scalesilverflakepowder,imidazolecuringagent,activethinner,etel.Thevolumeresistivityofconductivesilveradhesivewas3.7×10-4Ω·cm.Ithadexcellentpropertiessuchaslongspotlife,moderateviscosity,highthermalconductanceandheatresistance.Thereliabilitiesofthatconductivesilveradhesiveusedinthreetypesofleadframewerestudied.TheresultsshowedthattheadhesivepropertiesbetweenconductivesilveradhesiveandbareCuleadframewasbestatroomtemperature,buttheadhesivepropertiesbetweenconductivesilveradhesiveandthreeleadframeswerethesameat250℃.Finally,therewereneitherlargebubblesnordelaminationintheLGAmoduleusedthatconductivesilveradhesive.Keywords:conductivesilveradhesive;volumeresistivity;adhesiveproperties;reliability已在航空航天领域占据稳定市场份额，其在集成电路1前言导电胶以其突出的环境友好性，良好的线分辨率封装及组装和照明领域应用最为广泛，在新兴的能源导电领域也逐渐占据一席之地[4~5]。在产品应用方面，银胶在液晶显示屏(LCD)、发光二极管(LED)、集成电路(IC)封装(DIP、QFN、QFP、SOP、SSOP、BGA)、印刷线路板组件(PCBA)、点阵块、陶瓷电容、薄膜开关、智能卡、射频识别等电子元器件及组件的封装和粘接中大量应用[6~7]。使其本文新开发一款环氧树脂基体的导电银胶，具有较高的导热性能和导电性能，有效地散除芯片工和简单的加工操作性被广泛应用于微电子组装领域[1~3]。导电胶的粘接工艺简单，固化温度低，可以作为锡-铅焊料的替代品，并成功解决了以往焊接工艺引起的元器件变形、粘接不牢、性能下降等问题，因此导电胶的应用范围越来越广。以银粉、银片构成导电网络的导电银胶是目前导电胶中使用最广泛、最成熟的一种，2016-2-22收稿日期：*基金项目：国家自然科学基金青年基金(61204019)第16卷第4期电子与封装作时释放的热，能够满足大功率器件的封装要求。材料体系采用环氧树脂、微米级的片状银粉、咪唑类固化剂和活性稀释剂，通过混合工艺制备了一款导电银胶，并研究了该导电银胶的固化后体积电阻率、粘度、粘接强度、耐热等性能，重点考察了其在不同环境条件下的粘接性能。3.1导电银胶常规性能分析将导电银胶进行中温固化流程，条件为150℃、固化1h。固化后样品的体积电阻率测试结果列于表1。从表1中数据可以看出，导电银胶的体积电阻率为·cm，3.7×10-4Ω与市售国外同样银粉含量的导电银胶处于同一数量级。在存放48h后进行固化，导电银胶2.1原材料主要原材料有环氧树脂、咪唑类固化剂、微米级银粉、活性稀释剂、偶联剂。2.2导电银胶的制备将环氧树脂、咪唑类固化剂按一定比例预混合，搅拌10~30min得到基体树脂，再将0.5~100μm的片状银粉（75wt%左右）、偶联剂和活性稀释剂按照一定比例与基体树脂用三辊研磨机混合研磨30~90min成为细腻的银白色均匀混合物，即导电银胶。固化条件为150℃恒温60min，固化后得到热性能和电性能待测样品。2.3导电银胶的制备（1）体积电阻率试样制备方法：制备样品根据ASTMD257-91标准方法，其具体过程如下：两条平行的3MScotch810胶带（间距大约4mm）贴在尺寸为25.4mm×76.2mm、清洗过的载玻片上，把制备好的少量导电胶放置到两条胶带之间的空隙处，并用手术刀把其涂覆平整，然后移走胶带。经固化和冷却到室温后，用带有四探针的Agilent34401A万用表测试导电胶的体积电阻。（2）粘度按照GB/T2794-1995标准使用BrookfieldCP51粘度计测试不同转速下的粘度。剪切粘度使用TAAR2000旋转粘度计在常温下测试。（3）Tg和热膨胀系数按照ASTMD-696标准使用TMAQ400测试，热导率按照ASTME-1461标准使用AnatechPhase11测试，热失重按照MIL-STD-883GMETHOD5011.4使用TGAQ500测试。（4）拉伸剪切强度按照GBT7124-2008使用NSTRON微力材料试验机测试，芯片推力按照MIL-STD-883G2019.7采用DAGE4000完成。（5）可靠性检测环境为：湿热老化测试：30℃/60%RH，200h；基板粘接力测试：30℃、150℃、250℃/60%RH；引线框架粘接性、剪切力及T-scan测试：温度25℃，湿度50%RH~60%RH。环境实验用湿热老化箱为银河恒温恒湿箱。粘度特性电性能3结果与讨论2实验的体积电阻率增大51.4%，这是因为导电银胶在48h内发生部分交联，导致在受热反应时，固化密度减小，体积收缩减小，银粉搭接程度也降低。表1导电银胶放置48h前后导电率变化导电率/Ω·cm3.7×10-4存放48h后导电率/Ω·cm5.6×10-4增长率/%51.4从表2的导电银胶粘度变化中可以看出，导电银胶的粘度适中，处于易加工的使用范围内(导电银胶的粘度控制在10000cps左右最适合点胶工艺)。导电银胶的搁置寿命(shelflife)是判断其加工性的重要指标之一。储存48h后，粘度有所上升但增幅不大，低于搁置寿命上限规定的25%，换言之，此导电银胶的理论使用寿命大于48h。考虑到48h后的导电率，此导电银胶应在解冻后48h内使用保证最好效果。表2导电银胶放置48h前后粘度变化粘度/cps8948存放48h后粘度/cps10080增长率/%12.6触变系数4.8触变现象是高质量分数细颗粒流体中广泛存在的一种流变特性，即流体内部颗粒絮网结构随时间变化而发生的破坏和恢复过程。在导电银胶的使用过程中，触变性反映了加工时导电银胶的流动性和加工完成后胶体形状保持特性，因此触变性是导电银胶加工性能的重要衡量标准之一。导电银胶的触变性暂无相关测试标准，行业内一般采用转速0.5rpm/5rpm的粘度比值作为其触变系数，其中0.5rpm对应于静止状态下的粘度，5rpm对应于点胶状态下的粘度。市售导电银胶的触变系数一般为5左右，本导电银胶的触变系数为4.8，即可满足市场大部分点胶设备要求。为深入了解导电银胶48h前后的结构变化，考察了导电银胶的流变性能，如图1所示。室温放置48h前后，导电银胶的特性粘度曲线趋势一致，均表现为角频率增大时，粘度降低程度减缓，即剪切变稀行为。第16卷第4期邹嘉佳，高宏，周金文：一种新型芯片粘接用导电银胶的性能研究纯环氧树脂为牛顿流体，因此导电银胶的剪切变稀行为由环氧树脂中银片网络引起。48h前后导电银胶特性粘度曲线趋势几乎一致说明，引起粘度变化的主要为环氧树脂，而环氧树脂中的银片网络结构几乎不变。放置前导电银胶在0.5rpm时，η*=51.45Pa·s，在5rpm时η*=7.95Pa·s；放置48h后在0.5rpm时，η*=62.97Pa·s，在5rpm时η*=9.72Pa·s。计算得到放置48h后0.5rpm和5rpm粘度分别增长22.4%和23.0%，触变系数均为6.5，均比Brookfield粘度计测试数据偏大，这与测试仪器流动机理不同有关。导电银胶48h前后流变性能的趋势也在另一方面印证48h前后体积电阻率的变化主要由环氧树脂的交联引起。固化后该导电银胶的邵氏硬度D为72，其热性能见表3，数据表明，该导电银胶耐高温性能一般，在77.5℃以上会发生玻璃化转变，热膨胀系数增长5倍，不宜用于要求严格的高温使用环境。但其散热性能较好，热导率较高，可使用于一般要求的大功率器件封装，其最高使用温度为340℃(质量损失2%)。表3导电银胶热性能热性能Tg/℃77.5热膨胀系数6/×10-·℃-1Tg前60;Tg后300分解温热导率热失重-1/W·(m·K)（300℃）/%度/℃2.41.67340试条件为150℃(30℃/60%RH)，在3级湿气敏感性等级(MoistureSensitivityLevel3，MSL3)条件下比较了无镀层、镀银铜、镀镍钯金3种框架。图中可见，湿热老化过程中，导电银胶与镀银铜框架的初始强度最高且最稳定，随时间变化很小。导电银胶与纯铜框架的初始强度略低，在96h后剪切力显著下降。导电银胶与镍钯金框架的初始强度与无镀层框架相近，但在24h后剪切力显著下降，在96h后又有所增加。总体而言，MSL3条件下该导电银胶的可靠性较高。栅格阵列封装LGA(LandGridArray)不需要植球，适合轻薄短小的产品应用，被广泛用于集成电路芯片。将研制出的导电银胶用于LGA形式进行芯片粘接，将得到的元器件进行超声波T-scan扫描，结果如图3所示。图中可见，封装后导电银胶界面无气泡、分层现象，说明该导电银胶可使用成熟工艺方式用于常规产品的生产，可靠性满足使用要求。表4导电胶在引线框架上粘结力测试结果25℃(kgf)BareCuLFAg@CuLFNi/Pd/AuLF13.111.07.8150℃(kgf)1.92.21.8250℃(kgf)0.60.70.7图2导电银胶的剪切力随时间的变化图1导电银胶放置48h前后粘度变化4结论研制出一种新型具有高导热性能和导电性能的3.2导电银胶可靠性分析通过对导电银胶粘结硅片与不同框架的粘结性可靠性的研究，得到在常温、150℃、250℃下其粘结力性能如表4所示。随着测试温度的升高，导电银胶的粘接力均大幅下降，导电银胶与镀镍钯金框架的粘接力变化最小。在常温时，导电银胶与无镀层框架的粘接力最高，在250℃时，导电银胶与3种框架的粘接力区别不大。通过与国外同样银粉含量的导电银胶性能比较，二者的差异不大。导电银胶的剪切力随时间的变化如图2所示，测导电银胶，可用于大功率器件封装，其性能如下：（1）导电银胶粘度适中，便于操作，搁置寿命约为48h，48h后粘度变